神秘的量子生命

生命是什么

生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性

当化学家要生产一种氨基酸或糖类时，他们几乎总是一次只合成一利产品，通过精心地控制该制备实验的条件，比如温度和不同原料的浓度，来优化对目标化合物的合成。这可不是一项简单的工作，需要对定制的长颈瓶冷凝器，分离柱、过滤器及其他复杂的化学仪器内部许多不同的条件进行精细的控制。然而，你体内的每个活细胞中，在一个仅仅容纳着一微升液体的百万 分之几的单一反应室内，正在马不停蹄地合成着数以千计各不相同的生化物质。这些不同的反应是如何同时发生的？所有的分子活动如何在一个小小的细胞内协调运作？这些问题正是新兴的科学分支“系统生物学”所关注的焦点。但是，坦白的说，这些问题的答案依然迷雾重重。

生命的另一个谜题是死亡

化学反应的一个特征是它们总是可逆的。 我们可以按这样的方向写下方程式：底物一产物。但是，该反应的逆反应： 产物一底物，也在同时发生着。只不过在一定的条件下，总有一个方向会倾向于占据主导地位。实际上，我们总能找到一套倾向于逆反应的反应条件。生命却迥然不同。还从没有人发现过能使下面的反应发生的条件：死细胞——活细胞。

来自有序的有序

下面是薛定谔在《生命是什么》的一些观点：

诸如热力学定律之类的经典物理学与化学规律，虽然精确可以重复验证，但实质上是统计规律，背后是原子或分子的随机运动，也就是说，它们只在平均意义上正确，也只是在包含了极大量的粒子相互作用后，才能可靠。就像我们加热可以使气球膨胀，但是也会有极少数分子随机向内运动使气球收缩。当然，这种样子在宏观统计学上看不出来。但是，就像一个极小的气球行为在很大程度上不可预测，我们很难预测单个分子的运动规律。

在书中薛定谔问了一个简单的问题：基因是否大到足够保证其复制过程中对精确的偏离符合统计上的“来自无序的有序”呢？他后来大致估算出单个基因的体积应该是边长不大于300埃的立方体。这样的一个立方体大约能够容纳100万个原子。这听起来好好像还很多，但是100万的平方根是1000，因此，按照这种方法推断出的遗传物质中的不精确性或“噪音”应该是0.1%。因此，如果遗传是基于经典统计规律，它产生错误的程度（偏离规律）应该是0.1%，但是，事实上基因的传递非常准确，其变异率（错误率）小于1/10^9。这种非比寻常的高精度让薛定谔相信，遗传规律不可能建立在“来自无序的有序”的经典定律之上。相反，他认为基因更像是单个的原子或分子，符合另一个科学领域的规律，非经典但拥有神奇的秩序，也就是由他贡献的量子力学领域。

酶是生命的引擎

无论是“原始汤”中涌现的第一个微生物，还是穿越侏罗纪森林的恐龙，亦或是直到进入还存活的每一种生物，所有的生命都依赖酶。

我们体内的每一个细胞都填充着数百甚至数千个这样的“分子机器”，无时无刻不在“帮助”细胞组装和回收利用生物分子，使之持续不停地运转下去。这个过程，就是我们所说的“活着”。

假设现在把一个小球推上或踢上一个小山丘。要想让小球能登上山顶并且从山的另一面滑下，就必须结结实实的猛踢一脚。小球沿着山坡向上滚，速度不断减慢，如果没有足够的能量，他就会停下来，然后原路滚回去。按照牛顿的经典力学，让小球翻阅山丘的唯一出路，便是使其获得足够能量，升高到超过能量壁垒的位置。但是，如果小球是一个电子，山丘是由电子斥力形成的能量壁垒，那么就存在一个很小的可能性使电子以波的形式穿过这个壁垒，也就是说，电子可以另辟蹊径，以更高效的方式完成穿越。这就是量子隧穿。

像许多其他的量子现象一样，量子隧穿依赖物质例子向外传播时的“波”属性。这是量子隧穿的一个重要特点。要想使一个由无数粒子构成的物体完成遂穿，所有粒子的“波”属性必须在“行军”时保持步调一致，波峰波谷要重叠，我们将其称为系统“相干”，简而言之，就是调子要合拍。“退相干”的过程恰恰相反，所有的量子波各行其是，冲走了整体的相干行为，并最终使整体失去了量子隧穿的能力。一个粒子要是以量子隧穿渗透壁垒，就必须保持其“波”的性质。这解释了为什么足球之类的宏观物体无法遂穿：这些物体由数以兆记得原子组成，所有的粒子无法以协调一致的波形整体行动。

以量子标准来衡量，活细胞也属于宏观物体。所以乍看上去，由于在活细胞中温热、湿润的环境内，原子和分子的绝大多数在无序运动，量子遂穿效应几乎不可能发生。但是，正如我们所预料的那样，酶的内部却别有洞天：酶的粒子并非群魔乱舞，而是跳着精心编排的舞蹈。

但是，像质子或整个原子那么大的粒子又是什么情况呢？它们也可以在生物系统中粒子遂穿吗？乍看一眼，你可能觉得是天方夜谭。即使是单个质子，其质量也是电子的2000倍，而量子遂穿对于遂穿粒子的质量极度敏感：小的粒子容易遂穿，而重的粒子遂穿时阻力就大很多，除非遂穿的距离非常短。不过，最近几个非常精彩的实验表明，即使是质量相对较大的粒子在酶促反应中照样可以量子遂穿。

酶参与了每一个活着或死去细胞的每一个生物分子的合成与分解。与其他生命要素一样，酶之于生命，生死攸关。有的酶，或者说可能所有的酶，其工作原理是使处于空间中某一点的粒子去物质化，然后几乎同时在空间中的另一点重新物质化。这一发现为我们探寻生命之谜提供了全新的视角。虽然还有许多酶的相关的未解之谜（比如蛋白质的运动所起的作用）有待我们进一步理解，但是量子隧穿在其中扮演的角色不言而喻。

酶是生命的引擎。青蛙和其他所有生物的每一项生命活动，维系所有生物和人类生命的每一个过程，无一不由酶来加速。酶可以精确操纵基本的粒子运动，并能借此深入到量子世界中利用其奇异的法则。这一切共同铸就了酶非凡的催化能力。

光合作用中的量子节拍

光合作用中能量从光子到反应中心传递效率算得上是最高的，因为传递效率几乎是100%.在理想情况下，几乎所有的叶绿素分子吸收的能量都可以达到反应中心。如果能量不是取道最短传递，大部分乃至全部的能量都会在传递中殆尽。光合作用的能量为何如此擅长寻找捷径，一直以来都是生物学领域的一大谜题。

量子力学对双缝干涉的解释

对于原子装置内的运动，相比于单个粒子从发生器穿过缝隙打向光屏这种设想，从发生器到光屏之间连续分布的波函数才是更恰当的想法。在缝隙处，原子的波函数一分为二，两条缝隙各自获得一个原子通过的波函数。需要注意的是，我们在这里描述的都仅仅是抽象的数学变化而已。然而一旦我们进行观测就会改变实验结果，所以要追问原子在穿过缝隙时到底发生了什么是没有意义的。想要弄清楚我们不观测时到底发生了什么，就像要弄清楚家里的冰箱的在冰箱门打开前是不是亮着的一样：你永远无法知道，因为在偷看的那一刹那，你已经改变了整个系统。

那么问题也来了：以波函数存才的原子到底什么时候又变回了粒子呢？答案是：当我们试图检测它位置的时候。当我们采取任何针对原子位置信息的检测手段时，原子的波函数坍塌为一个唯一的可能性。虽然在入室抢劫的例子中，犯罪的行踪在警察抓住他以后，也从一系列的可能性坍缩为一个确定的点，但是在犯罪的例子里，受到侦查结果影响仅仅是我们手中关于犯罪下落的信息。不论我们知道与否，某一时刻罪犯都只会出现在空间上一个确定的位置。然而原子不同，如果不进行检测，一个原子实际上真的是无处不在。

所以，量子力学中波函数的描述是，假设我们在某时某处进行检测，我们能够在该点检测到原子的概率。波函数大的位置，意味着检测到原子的概率高。但是在参数小的位置，比如由于发生相消干涉，在相应位置上检测到原子的概率也就相应低。

现在让我们想象用波函数的形式跟随一个从发射器射出来的原子，在缝隙后面如果我们不进行观测的话，那么在穿过缝隙之前波函数不会发生塌缩。在量子力学中，我们会说此时这个原子处于量子叠加状态：单个原子同时出现在空间的两个位置上，换句话说，左侧和右侧缝隙时同时获得了一个波函数。

所有的量子实体，无论是基本的粒子，还是由他们组成的原子、分子，都像波一样能够与自身发生干涉的相干性特征。在这种量子状态下，他们可以表现出许多怪异的量子行为，比如同时出现在两个不同的位置、同时向两个方向旋转、洞穿不可逾越的障碍物以及与远处的另一个粒子发生隔空的量子纠缠。

既然如此，对本质是由量子粒子构成的你我而言，为什么我们没有拥有同时出现在两个不同地方的能力呢？这对于一些日理万机的人来说将如有神助。这个问题从某个角度来说非常简单：物体的体积越大，复杂程度越高，他的波动性就越弱。且不说人类身体的体积和质量大小，哪怕是任何可以被肉眼识别的物体，都会因为量子波长太短而失去讨论其波动性的意义。更深一步，你可以想象身体的每一个粒子都受到其他粒子的观察和测量，所以每个粒子的脆弱的量子属性马上就受到破坏。事实上，双缝实验中为了让原子能在光屏上打出干涉条纹，科学家抽走了设备中的所有空气，并且把温度降低到了几乎绝对零度。只有通过这些额外的努力，原子才得以撞击第二块光屏之前保持其自身的量子相干性。

心智之谜

20世纪初，意识的电磁场理论刚刚提出，那是还没有直接证据显示大脑电磁场能够影响神经元的兴奋，进而影响我们的思维活动。不过，后来在数个实验室里完成的实验都证明，与人类大脑强度、组成相近的外加电磁场的却影响神经元的兴奋和放电。实际上，电磁场的作用看起来像是协调神经元兴奋：使众多神经元同步放电，让他们同时兴奋。这些发现提示了大脑神经元兴奋所产生的电磁场，同样有可能影响神经元的放电活动，形成一种自我调节环路。许多理论学家认为，这就是意识的必要组成。